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1、XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY本科毕业设计（论文）题目超声波多普勒流量计软件设计院（系）:电子信息工程学院专业：自动化班级：050401 班学生:张亮亮学号:050401121指导教师：毕雪芹2009年6月超声波多普勒流量计软件设计摘要超声波多普勒流量计主要用于污水类非纯净液体和混有固体颗粒的两相流 的流量测量，其优点是：分辨率高，对流速变化响应快；对流体的压力、粘度 和温度等因素不敏感。但就当前测量水平来说，其精度及其它性能都有待于进 一步提高，因此，超声多普勒流量计的研究无论是对于自动化测量技术的提高 还是对于环保事业来说，都将是一项极有意义的研究课题。本课题设
2、计的超声多普勒流量计引入先进的数字信号处理技术，在频域上 对多普勒信号进行有效的处理，主要处理技术是以快速傅里叶(FFT)变换为基础 的功率谱算法和峰值逼近算法。具体方法是首先对多普勒频移信号进行采样， 再进行FFT变换，进而得到该信号的功率谱，在功率谱上应用峰值频率的逼近 算法，加上适当的数字滤波技术，从而得到频移信号所对应的频率值，在此基 础上，根据多普勒效应原理，求取管道中流体流速及其它数据量。由于要进行 大量的数据处理，硬件电路采用TI公司的TMS320F2407A DSP作为核心处理 器件，从而满足系统实时性的要求。硬件电路除了核心器件外，还辅以其他滤 波及放大电路等，最终推出一款结
3、构简单、系统完善的新型超声多普勒流量计。该系统除了具有一般流量计的显示功能，如瞬时流量、累计流量、累计时 间、瞬时流速的显示等，在仪表精度和稳定性方面，也有了进一步的提咼。关键词：多普勒流量计；FFT； 峰值逼近；TMS320LF2407A DSthe Software Design of Ultrasonic Doppler FlowmeterAbstractUltrasonic Doppler flowmeters are mainly applied to measure flux of sewage or other liquid with solid grain. They are
4、of high resolving power, and can respond quickly with the variety of velocity. Moreover, they are insensitive to the pressure and temperature of liquid. But now, technique in this field will be improved, so the task is significative not only to automatic measurement but to environment protection.Thi
5、s paper is focus on the software design of Ultrasonic Doppler flowmeters. Digital signal processing is introduced to analyze Doppler signal, for example, FFT is used to convert Doppler signal from time domain to frequency domain, and then the algorithm of approaching peak value is put into practice.
6、 After this, filter software is in use. Thus Doppler frequency shift is obtained, According to Doppler effect, velocity and flux can be calculated, Because of mass-calculation, TMS320LF2407A DSP is chosen as core part in hardware design. And in hardware design, low-pass filter, amplifier, D/A convec
7、tor and other circuits are included. The whole system is simple and intelligent.The system designed is improved in precision and stability. It has a distinct characteristic in displaythe function of dynamic spectrum display, which is advantageous during its installation.Key Words: Doppler flowmeter;
8、 FFT; approaching peak value; TMS320LF2407A, DSP目录摘要IAbstract II1绪论11.1超声波流量计简介 11.2超声多普勒流量计的发展及现状 21.3研究目的和内容31.3.1研究目标： 31.3.2研究内容：32超声波多普勒流量计工作原理42.1多普勒效应42.1.1声源运动，观察者相对静止 42.1.2观察者运动，声源相对静止 52.2超声波多普勒流量计测量原理62.2.1工作原理 62.2.2流量方程62.2.3有关流量方程的几点讨论 83超声波多普勒流量计的硬件结构113.1系统硬件结构框图113.2DSP TMS320LF240
9、7A 123.2.1硬件性能123.3.2硬件资源配置 134超声波多普勒流量计的DSP软件设计 154.1 DSP软件设计工具简介154.2系统软件总框图 154.3各软件模块流程图 154.3.1监控模块154.3.2初始化模块164.3.3定时器模块174.3.4键盘扫描模块 204.3.5数据处理模块214.3.6显示模块214.3.7看门狗模块224.3.8串行E2PROM写入模块225数据处理245.1超声波多普勒信号的特点245.1.1时域表达式 245.1.2多普勒信号的频谱展宽 255.1.3功率谱密度与流速的关系 255.2快速傅里叶变换 265.3多普勒频移的逼近 285
10、.4数字滤波 296结论30致谢31毕业设计（论文）知识产权声明 32毕业设计（论文）独创性声明 33参考文献341绪论11超声波流量计简介超声就是指频率高出可听频率极限（即在20KHz以上的频段）的弹性振动，这 种振动以波动形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波技术应用于流量测量的原理是：由超声换能器产生的超声波以某一角 度入射到流体中，在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息，利用接收到的 超声波信号就可以测量流体的流速和流量。超声波流量计结构简单、压力损失小、使用方便，因而得到广泛的应用。与 其它种类的流量计，如电磁流量计、涡街流量计、差压流量计、质量流量计等相 比较，超声波流量计具
11、有以下优点：（1）采用非接触式测量，换能器安装在管道外壁，基本上不干扰流场，无 压力损失，是一种比较理想的仪表。（2）测量口径范围大，一般为0.5-5m,有时可达10m,而且造价与口径大 小无关。（3）换能器形式多样，可适合不同场合的需要，除了用于测量水、石油一 般导声流体外，还可用来测高温、高压、强腐蚀、非导电、易爆和放射性等导声 流体。（4）通用性好，在可测口径范围内，同一台流量计可测任何不同口径的管 道。（5）无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。（6）安装维修方便，不需要专门的阀门等，不必中断流体流动，不影响生 产。超声波流量计的研究已有数十年历史了，20世纪50年代末期，超声波流量
12、 计由理论研究阶段进入工业应用时期，进入70年代以后，由于集成电路技术的 迅猛发展，高性能、高稳定性的锁相技术的出现与应用，才使实用的超声波流量 计得以迅速发展。根据对信号的检测原理，超声波流量计非接触测量方法分为：传播速度差法、 多普勒法、波束偏移法及流动超声法等不同类型，其中传播速度差法又分为时差 法、相差法和频差法。目前，时差法和多普勒法是被广泛采用的测量方法。时差 法是通过测量超声波顺流及逆流传播时的时间差来反映流速。早期采用单声道工 作方式，并且对流速断面的变化比较敏感，受雷诺数、管壁粗糙度等影响，稳定 性较差。后来有人开发了多声道工作方式，降低了仪表对流速断面的敏感性，同 时也提高
13、了精度，但相应的电路的复杂性就增加了。时差法发展初期，发射波属 于窄声束超声波，一般只适用于洁净的单相液体，但窄声束发射存在接收信号强 度弱的问题。为了克服这一问题，美国Controlotron公司研究了宽声束发射技术， 使得时差流量计除了能测量单相均匀液体的流量，还可以测量含有少量气泡和固 体颗粒的液体的流量。但宽声束发射要求探头与管道声匹配良好，这样一对收发 探头一般只能适用于特定的管材和管径，这对用户来说，是一个很不利的因素。 多普勒法利用的声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体的超声波多普勒 频移来确定流体的流量。以下将对多普勒法进行详细介绍。12超声多普勒流量计的发展及现状人们对
14、超声多普勒流量计的研究开始于20世纪60年代末与70年代初，进 入80年代以后，由于电子技术的发展，特别是微电脑的出现，促进了超声波多 普勒流量计的发展。超声多普勒流量计是利用声学多普勒效应，根据反射声波与 入射声波之间的频率差（即多普勒频移）来求流速和流量的，这就要求流体中存在 能反射声波的颗粒或气泡，多普勒法的主要应用领域有：（1）含有固体颗粒的两相流的流量测量，如矿浆、工业污水、城市污水等；（2）腐蚀性和有毒液体（如氰化物）或食品工业中卫生要求高的流体的流量测 量；（3）应用于准确度要求不高，但要求重复性好的场合，如作为流量开关， 或装在泵上作为泵的保护装置；（4）可用于粗大圆形管道和矩
15、形管道，且原理上不受管径的限制，其造 价基本上于管径无关。超声多普勒流量计除了具有非接触式流量计的一般特点，其突出优点是：分 辨率高，对流速变化响应快；对流体的压力、粘度、温度、密度和导电率诸因素 不敏感，无零点漂移等问题;测量条件不变时重复性好；价格较便宜基于DSP技 术的超声波多普勒流量计的设计（只有相同口径的电磁流量计价格的十分之一）。 它的缺点在于：流量测量精度除了取决于发射频率外，流体中反射体颗粒的浓度、 粒径大小、性质、粒子的分布及流速分布等因素的变化对流量测量精确度均有影 响，管道振动也是多普勒流量计测量的一个误差来源。除了通过信号处理电路来 降低误差外，软件上数字信号处理技术的引入成为提高测量精度的关键。传统超声多普勒流量计在解调多普勒信号时采用混频到基频的方法，产生了 如下问题：低流速情况下产生的多普勒频移较低，常湮没于相当强度的干扰信号 中，准确分析其频谱很困难。FFT（快速傅里叶变换）谱分析技术的应用，实现了多普勒流量测量方法真正 的进步。用FFT方法来分析反射波谱，可分辨出哪个频率是由干扰噪声引起的， 哪个才是由流速信号引起的，大大增强了多普勒流量计对各种频率成分的分辨能 力。目前国际上只有美国的Controlotron公司
